JPH06238320A - スプレー冷却方法 - Google Patents

スプレー冷却方法

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JPH06238320A
JPH06238320A JP5029470A JP2947093A JPH06238320A JP H06238320 A JPH06238320 A JP H06238320A JP 5029470 A JP5029470 A JP 5029470A JP 2947093 A JP2947093 A JP 2947093A JP H06238320 A JPH06238320 A JP H06238320A
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cooling water
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Atsushi Hatanaka
淳 畠中
Masaki Imamura
巨城 今村
Tsuneo Seto
恒雄 瀬戸
Yoji Fujimoto
洋二 藤本
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温の鋼板、H形綱などの冷却において、冷
却水の衝突力、水膜パターン、水膜横幅を管理すること
により、熱伝達係数を大きくして冷却能力を向上させ、
かつ冷却面全体にわたって均一な冷却を達成する。 【構成】 冷却水の冷却面への衝突圧力を0.05〜0.5g/m
m2の範囲に設定し、冷却水の衝突力のばらつきを設定値
の±20%以内とし、冷却水の水膜パターンを長方形又は
正方形又は長円形の形状とし、冷却水のスプレー水膜横
幅を20mm以上として冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は冷却媒体に水又は気水混
合体を用いるスプレー冷却方法に関する。このような冷
却は例えばロール冷却、鋼板冷却、H形鋼冷却等あらゆ
る分野において利用することができる。
【0002】
【従来の技術】従来の冷却媒体に水を用いるスプレーノ
ズルによる冷却方法の設計、計画、制御では、冷却水量
の分布を重要視したものが全てであり、冷却の制御は冷
却水量の調整によっていた。すなわち、従来は、冷却ノ
ズルの冷却効率については論じられていないのが現状で
あり、専ら、ノズルの組合せ、水量制御などにより均一
冷却することを試みていた。このような従来技術では例
えば、H形鋼のフランジ等の全面を均一に冷却すること
は困難であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来、スプレーノズル
を用いる冷却では、ノズルから噴射された冷却水が被冷
却面に衝突したとき均一な冷却水分布となるように冷却
ノズルが作られていた。このような均一な冷却水分布の
冷却ノズルを用いて、熱間鋼板を冷却した場合において
も均一な冷却を得られていない。
【0004】本発明者らが、冷却水量以外の冷却に寄与
する因子を調査、研究した結果、冷却面における冷却水
の衝突圧力並びに水膜パターンが冷却水量とともに冷却
能力を決定する重要な因子であることが判明した。本発
明はこのような新たな知見に基づくスプレー冷却方法を
提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、高温の鋼板、
H形鋼のフランジ等平面部又はロール面等をスプレー冷
却するに当たり、(a)冷却水の冷却面への衝突圧力を
0.05〜0.5 g/mm2 の範囲に設定し、(b)冷却水の
衝突圧力のばらつきを設定値の±20%以内とし、
(c)冷却水の水膜パターンを長方形又は正方形又は長
円形の形状とし、(d)冷却水の被冷却面に衝突する部
分でのスプレー水膜横幅を20mm以上として冷却する
ことを特徴とするスプレー冷却方法である。
【0006】
【作用】本発明者らは、スプレー冷却において、冷却に
寄与する因子を調査、研究した研究開発実験結果を図に
従って説明する。 (1)有効水量密度について 移動中の被冷却体を冷却する場合について調査すると、
図1に示すようにノズルピッチを変え冷却水横幅(進行
方向の冷却幅)を変化させることで冷却効率が大幅に変
化することが判明した。つまり、スプレー冷却の場合
に、単に冷却水量のみを増加すればよいのではなく、有
効に冷却に関与する水量すなわち、有効水量密度が冷却
効果に寄与する。図1は全噴出水の水量密度と有効冷却
に関与する有効水量密度との関係を示したものである。
曲線1、2および3はそれぞれノズルピッチを100m
m、200mm、400mmとしたもので、材料(被冷
却体)通過速度2.0m/secの場合である。曲線1
と曲線2においては、ほぼ等しい全水量密度約2×10
3 リットル/m2 ・minに対して、有効水量密度は著
しい差がある。曲線2と曲線3の全水量密度約1×10
3 リットル/m2 ・minについても同様である。
【0007】すなわちノズルピッチを密にすると有効水
量密度が上昇するため、本発明のスプレー冷却において
は、単一ノズルの冷却水横幅を大きくすることを指向し
た。 (2)スプレー水膜の横幅bとフランジ幅方向高さh 前述のように高い冷却効率を得るためには、冷却水の衝
突圧力が低下しない範囲で冷却水膜横幅を大きくするこ
とが重要である。表1に示す条件で試験を行い、その結
果を図5にしめした。スプレーの水膜横幅が薄いと、噴
射水量密度Wnが増加しても、有効水量密度Weはほと
んど変化がなく、スプレーの水膜横幅が10mmと15
mmで大きな変化はないが、25mmでは著しく上昇す
る。従って、20mm以上にするとよい。
【0008】本発明者等は、さらにスプレー水膜のパタ
ーンが一辺50mmの正方形となるようなノズルを用い
た場合についても実験を行なったが、この場合において
も高い冷却効率を得ることが判明した。
【0009】
【表1】
【0010】すなわちノズルからスプレーされるスプレ
ー水膜のパターンは平面的に従来は図7の(a)または
(b)にそれぞれ示すように円形又は楕円形であったた
め、被冷却面の有効水量密度が低かった。このため本発
明では、被冷却面の有効水量密度を上げるべく図7の
(c)、(d)、(e)にそれぞれ示すようにノズルか
らスプレーされるスプレー水膜のパターンを正方形、長
方形、または長円形(長方形のコーナ部が丸味を帯びた
形状)として、水膜パターン内の偏差を極力少くしたも
のとする。
【0011】図7の(c)、(d)、(e)に示す本発
明の水膜パターンを形成するノズルを用いて被冷却面に
スプレーする際には、図8の(a)、(b)、(c)に
それぞれ示すように正方形、長方形または長円形の水膜
パターンを形成する単一のノズルを被冷却面の長手方向
に所定ノズルピッチで配置するか、あるいは図8の
(d)、(e)、(f)にそれぞれ示すように正方形や
長円形の水膜パターンを形成するノズルを上下に複数個
組み合わせたものを被冷却面の長手方向に所定ノズルピ
ッチで配置して均一にスプレー冷却することも可能であ
る。
【0012】(3)冷却水衝突圧力0.05g/mm2
以上について 冷却面における冷却水の衝突圧力が冷却水の水量と共に
冷却能力を決定する重要な因子である。図2は、スプレ
ー水膜横幅(b)を25mmとした従来ノズルA、B
と、スプレー水膜横幅(b)を50mmとした新ノズル
Cをそれぞれ用いて、衝突圧力が熱伝達係数に影響する
ことを確認した結果を示している。
【0013】すなわちノズルAとノズルBは従来から使
われていたものであるが、従来から行われている水量調
整だけでは均一に冷却されていない点に注目し、詳細に
ノズル特性を調査した結果が図2に示すグラフである。
図2において従来ノズルAと従来ノズルBの衝突圧力が
ほぼラップする0.25(g/mm2) において、一方のノズルB
の水量が4(l/min) であるのに対し、他方のノズルA の
水量が6(l/min) と水量差があるにもかかわらずそれぞ
れの熱伝達係数αが600(kcal/m2h℃) と同一であった。
【0014】従来ノズルA、Bのこのような現象がスプ
レー内で発生した場合、不均一冷却となったり、また水
量調整に対する冷却能力調整がむずかしいノズルとされ
ていた。しかし、少ない水量で高熱伝達係数αを得る条
件を整理すると、ノズルピッチを密にすること、スプレ
ー横幅を厚く(広く)することなどから類推すると、冷
却水を均一に分布させ、かつ衝突圧力も均一にし、ある
レベル以上の衝突圧力を維持できれば、有効水量密度が
上昇できると考えて試作したのが本発明で用いた新ノズ
ルCである。
【0015】前述の図2においては、冷却水の冷却面に
対する衝突圧力(g/mm2) と、冷却水の水量W(l/min)
と、熱伝達係数α (kcal/m2h℃) との関係を示している
が、本発明の新ノズルCによれば、従来ノズルA、Bに
比較して冷却水の水量Wが少なくとも新ノズルCのスプ
レー水膜幅増が効果を包含して極めて高い熱伝達係数α
(kcal/m2h℃) が得られる。
【0016】新ノズルCでは冷却水の衝突圧力が 0.03g
/mm2と 0.05g/mm2の場合の衝突圧力における熱伝達係数
αを比較すると 600kcal/m2h℃から 900kcal/m2h℃に大
幅に改善されている。そして衝突圧力が 0.05g/mm2から
0.2g/mm2に上昇するにつれて熱伝達係数αは 900kcal/m
2h℃から1100kcal/m2h℃に0.2g/mm2以上からは徐々に上
昇し、衝突圧力が0.5g/mm2を越えると熱伝達係数αは飽
和し、衝突圧力がこれ以上増加しても効果が少ない。し
たがって本発明では、冷却水の冷却面への衝突圧力を0.
05〜0.5g/mm2の範囲に設定するものである。
【0017】(4)冷却水の衝突力の冷却水衝突面での
均等化。 フランジ幅200mm のH形綱を長手方向に1.0m/sの速度で
移動しながら、その中央部を冷却幅100mm のスプレーノ
ズルで冷却した。図3はこのときのフランジ幅を縦軸に
とり、横軸に各幅位置の熱伝達率分布を示した。図3に
おいて、○印は従来ノズルA、Bによるフランジ幅方向
の熱伝達率の分布を示し、×印は本発明で使用する新ノ
ズルCによるフランジ幅方向の熱伝達率の分布を示す。
従来ノズルA、Bによれば直接冷却範囲の熱伝達率にば
らつきが大きいのに対し、本発明で用いた新ノズルCに
よれば、ばらつきの少ない均一な熱伝達率で冷却される
ことが分かる。
【0018】図4は本発明の新ノズルCを用いて受圧面
積6mm×50mmの冷却面に冷却水量がほぼ一定の冷却水を
噴射したときの衝突圧力の分布を示したものである。そ
のときの水圧はそれぞれ圧力2.0 、1.5 、1.0 、0.5 kg
/cm2の4種とした。図4の衝突圧力の分布は 0.05g/mm2
以上の範囲にある。図3に×印で示すように、本発明に
よる直接冷却範囲の熱伝達係数α (kcal/m2h℃) は優れ
た値を示している。しかし図3に○印で示すように従来
ノズルから噴射された水膜においては衝突面での幅方向
の位置により熱伝達率にばらつきがあり、水膜幅中央部
と端部では違いがある。このため熱伝達率をほぼ一定に
保つためには経験的にこの衝突圧力のばらつきを設定値
±20%程度におさえることが望ましい。
【0019】
【実施例】図6に示すようなH形綱の冷却を本発明方法
により実施した。フランジ幅がそれぞれ150mm 、200mm
、250mm 、300mm のH形綱のフランジを図6に示すノ
ズルパターンで水冷した。H形綱のフランジのみを冷却
するため、冷却水がウェブ側に飛散するのを防止する必
要があり、ノズルのスプレー方向を図6に示す斜方型と
し、冷却水衝突圧力を0.2(g/mm2)で均一とし、スプレー
水膜横幅bをそれぞれ20mm、40mmにし、ノズルピッチp
を200mm 、100mm として、総使用水量Qを同一とした。
またその時のスプレー水膜高さをhとした。その結果を
表2に示した。実施例では、冷却効率(有効水量密度)
が2倍に改善され、均一に冷却することができた。
【0020】
【表2】
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、スプレーノズルを用い
る冷却において、従来検討されていなかった新規な要因
によってノズルの形状、配列、操業条件等を規定して、
冷却効率の高い冷却を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】全水量密度と有効水量密度との関係を示すグラ
フである。
【図2】衝突圧力と熱伝達係数との関係を示すグラフで
ある。
【図3】冷却面の熱伝達率分布を示すグラフである。
【図4】衝突圧力分布を示すチャートである。
【図5】スプレー水圧力と各水量密度の関係を示すグラ
フである。
【図6】実施例のH形綱のスプレーノズル冷却の説明図
である。
【図7】ノズルからのスプレー水膜パターンを示す平面
図である。
【図8】ノズルからのスプレー水膜により被冷却面を冷
却する場合のパターンの組み合わせ状況を示す説明図で
ある。
【符号の説明】
α 熱伝達係数 W 水量 b 水膜横幅 h 水膜高さ We 有効水量密度 Wn 噴射水量密度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 瀬戸 恒雄 岡山県倉敷市水島川崎通1丁目(番地な し) 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者 藤本 洋二 岡山県倉敷市水島川崎通1丁目(番地な し) 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冷却媒体に水又は気水混合体を用いてス
    プレー冷却するに当たり、冷却水の冷却面への衝突圧力
    を0.05〜0.5 g/mm2 の範囲に設定し、冷却水の衝突
    圧力のばらつきを設定値の±20%以内とし、冷却水の
    水膜パターンを長方形又は正方形又は長円形の形状と
    し、冷却水の被冷却体に衝突する部分でのスプレー水膜
    横幅を20mm以上として冷却することを特徴とするス
    プレー冷却方法。
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